一种井下测压井上节流控制的深井注浆减压系统.pdf

本发明提供了一种井下测压井上节流控制的深井注浆减压系统。该深井注浆减压系统包括注浆压力采集单元、压力信号处理电路、控制单元和电动节流阀，注浆压力采集单元连接在供浆管道的井下部分，包括两个串联连接的压力采集装置，每个压力采集装置上都设有压力传感器；压力信号处理电路与注浆压力采集单元和控制单元连接；控制单元与压力信号处理电路及电动节流阀连接；电动节流阀安装在供浆管道的井上部分，包括普通截止阀和步进电机，普通截止阀的阀杆与步进电机连接，步进电机的驱动电路与控制单元连接。本发明采用井下测压井上节流控制的深井注浆减压方案，实现了线性连续控制，增加了系统的可靠性，控制精度高。

1.  一种井下测压井上节流控制的深井注浆减压系统，其特征在于，包括注浆压力采集单元、压力信号处理电路、控制单元和电动节流阀：
注浆压力采集单元：注浆压力采集单元连接在供浆管道的井下部分，用于采集供浆点的压力；注浆压力采集单元包括两个串联连接的压力采集装置，每个压力采集装置上都设有压力传感器，通过比较两只压力传感器测量的压力，来判断整个测压系统的可靠性和准确性，当两只压力传感器具有相同的压力测量值时，才采集该测得的压力；
压力信号处理电路：与注浆压力采集单元和控制单元连接，用于处理压力信号；
控制单元：与压力信号处理电路及电动节流阀连接，根据设定的井下注浆压力与实际注浆压力的差值输出控制电动节流阀转动方向和开口量的控制信号；
电动节流阀，安装在供浆管道的井上部分，包括普通截止阀和步进电机，普通截止阀的阀杆与步进电机连接，步进电机的驱动电路与控制单元连接。

2.  根据权利要求1所述的井下测压井上节流控制的深井注浆减压系统，其特征在于：所述压力采集装置包括短管、碟型传压隔膜、油缸和压力传感器，油缸安装在短管上，其内充满液体介质，油缸的下端安装有碟型传压隔膜，上端安装有压力传感器。

一种井下测压井上节流控制的深井注浆减压系统
技术领域
本发明涉及一种深井注浆减压系统，属于煤矿井下注浆技术领域。
背景技术
煤矿井下注浆由地面供给，由于矿井较深，接近1000米。因此存在注浆压力超高的问题，不考虑管路和阀门等损失，到达井下注浆压力可达到10MPa(实际井下需要的压力在1.5～2.5MPa)。超高注浆压力不但不满足使用要求，而且超高的压力会损坏注浆管路和阀门。严重影响正常生产。目前通常是采用普通减压阀控制注浆压力，如果注浆系统采用普通减压阀，会大大降低系统可靠性。
发明内容
本发明针对现有煤矿井下注浆技术存在的问题，提供一种控制精度高、可靠性强的井下测压井上节流控制的深井注浆减压系统。
本发明的井下测压井上节流控制的深井注浆减压系统采用以下技术方案：
该深井注浆减压系统包括注浆压力采集单元、压力信号处理电路、控制单元和电动节流阀：
注浆压力采集单元：注浆压力采集单元连接在供浆管道的井下部分，用于采集供浆点的压力；注浆压力采集单元包括两个串联连接的压力采集装置，每个压力采集装置上都设有压力传感器，通过比较两只压力传感器测量的压力，来判断整个测压系统的可靠性和准确性，当两只压力传感器具有相同的压力测量值时，才采集该测得的压力；
压力信号处理电路：与注浆压力采集单元和控制单元连接，用于处理压力信号；
控制单元：与压力信号处理电路及电动节流阀连接，根据设定的井下注浆压力与实际注浆压力的差值输出控制电动节流阀转动方向和开口量的控制信号；控制单元可采用单片机，也可采用可编程控制器(PLC)。
电动节流阀，安装在供浆管道的井上部分，包括普通截止阀和步进电机，普通截止阀的阀杆与步进电机连接，步进电机的驱动电路与控制单元连接。
所述压力采集装置包括短管、碟型传压隔膜、油缸和压力传感器，油缸安装在短管上，其内充满液体介质，油缸的下端安装有碟型传压隔膜，上端安装有压力传感器。
注浆压力采集单元采集供浆点的压力，该压力信号通过压力信号处理电路被放大处理后送到控制电路，控制单元根据设定压力p0与实际压力p的差值送出控制电动节流阀转动方向和开口量的一控制信号，该信号经过控制单元的功率放大电路放大后驱动电动节流阀，达到控制调节供浆压力的目的。整个系统构成闭环压力控制系统。
本发明采用井下测压井上节流控制的深井注浆减压方案，实现了线性连续控制，系统的可靠性会大大增加，采用两只压力传感器采集压力，控制精度高。整套系统结构简单、效率高、维护方便、成本大幅降低。
附图说明
图1是本发明的结构原理框图。
图2是本发明的井下管路阀门布置示意图。
图3是本发明的井上管路阀门布置示意图。
图4是本发明中注浆压力采集单元的结构示意图。
图5是本发明中电动节流阀的结构示意图。
图6是本发明中压力信号处理电路的原理图。
图7是本发明中控制单元的电路原理图。
图8是本发明的控制程序流程图。
图中：1、压力信号处理电路，2、控制单元，3、电动节流阀，4、管道，5、闸阀，6、注浆压力采集单元，7、短管，8、传压隔膜，9、油缸，10、压力变送器，11、步进电机，12、主动齿轮，13、从动齿轮，14、支架，15、截止阀，16、仪器放大器，17、A/D转换器，18、光电隔离器，19、单片机，20、步进电机驱动电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明的井下测压井上节流控制的深井注浆减压系统包括注浆压力采集单元6、压力信号处理电路1、控制单元2和电动节流阀3。注浆压力采集元6采集供浆点的压力，该压力信号被处理后送到控制单元2，控制单元2根据设定压力p0与实际压力p的差值送出控制电动节流阀3的转动方向和开口量的控制信号，该信号经过控制单元2的功率放大电路放大后驱动电动节流阀3。整个系统构成闭环压力控制系统。
如图2所示，注浆压力采集单元6安装在管道1的井下部分，该注浆压力采集单元6包括两个串联连接的压力采集装置。管道1的井下部分同时安装有闸阀5。注浆压力采集单元6中每个压力采集装置的结构如图4所示，包括短管7、碟型传压隔膜8、油缸9和压力传感器10，油缸9安装在短管7上，其内充满液体介质，油缸9的下端安装有碟型传压隔膜8，上端安装有压力传感器10。短管7的两端与管道1相连，碟型传压隔膜8起隔离和传压的作用，压力传感器10用于测量液体介质的压力。当高粘泥浆经过短管7时，由于管路中存在一定的压力，物料会充满短管7，并挤压传压隔膜8，传压隔膜8把压力传递给油缸9内的传压介质，通过压力传感器10测出油缸9内传压介质的压力，就可以间接得出管道1中的压力。通过标定，确保正确的测量管道输送过程中的压力。通过一套注浆压力采集单元6上的两只压力传感器10来测量注浆管路的压力，通过比较两只压力传感器10测量的压力，来判断测压系统的可靠和准确性。当两只压力传感器10具有相同的压力测量值时，才采用该测得的压力。
如图3所示，电动节流阀3安装在管道1的井上部分。电动节流阀3的结构如图5所示，由普通截止阀15改制，步进电机11通过主动齿轮12和从动齿轮13与截止阀15的阀杆连接，步进电机11安装在支架14上。步进电机11控制截止阀15阀杆的转动方向及开口量。
压力信号处理电路1的电路原理图如图6所示，这一部分在井下使用。由注浆压力传感器6输出的微弱信号经多路开关转换输入仪器放大器16放大，输出合适的信号电平。仪器放大器16采用AD620芯片。该芯片放大倍数最大可达到10000倍。由仪器放大器5输出的信号达到伏级，为了便于远距离传输，将仪器放大器16输出的电平信号送入A/D转换器17，A/D转换器17采用12位分辨率，可得到精确的数字信号，将电压信号转换成频率信号。
控制单元2的电路原理如图7所示，这一部分在井上使用。由LM331输出的频率信号送入光电隔离器18，通过光电隔离，频率信号送入MCS251单片机19的计数器T0，由计数器每秒钟所测的脉冲数即可换算出对应的压力值。由设定压力p0与实际压力p的差值，根据该系统的控制规律即可送出驱动电动节流阀3的步进电机11的脉冲数目。步进电机11由图7中的驱动电路20驱动，MCS251单片机19中P_1.0、P_1.1和P_1.2三个输出口用来发出控制脉冲，通过光电隔离器驱动晶体管T1～T3，而T1～T3驱动达林顿晶体管D1～D3，D1～D3再来驱动步进电机11的线圈，使步进电机11转动。二路数字信号由单片机19处理后变成串行信号，经过单片机19的Tx端发送到传输系统的信号远程传输电路中。控制单元2也可采用可编程控制器(PLC)。
由于井筒中存在各种干扰，因此控制单元2的抗干扰性能应较高。为提高控制单元2的抗干扰能力，系统中的小信号单元采用光电隔离器18，使其自成电路体系，保证了系统的精度。另外，单片机19系统采用了看门狗电路，从而保证系统不会产生死机。
为增加信号传输的可靠性，本发明采用RS-485通讯方式进行压力信号通讯，其特点为：(1)RS-485/422采用高速光电隔离；(2)设有串口保护电路，可带电热插拔；(3)通信距离可达3公里(9.6Kbps)；(4)支持256节点轮询网络结构；(5)无需CTS流控，速率0～115.2Kbps自适应；(6)15KV静电保护和1200W/ms雷电防护。
本发明的控制程序框图如图8所示，注浆压力采集单元6采集供浆点的压力p，该压力信号被处理后送到控制单元2，控制单元2根据设定压力p0与实际压力p的差值送出控制电动节流阀3转动方向和开口量的控制信号。当设定压力p0大于实际压力p时，控制电动节流阀3正转，增大开口量。当设定压力p0小于实际压力p时，控制电动节流阀3反转，减小开口量。从而控制到达井下的供浆流量。当电动节流阀3的开口量达到最大时，表明出现故障应停止运转。根据该系统的控制规律即可送出驱动电动节流阀3的步进电机11的脉冲数目，压力差值乘以一个系数k就是步进电机11的脉冲数目K。系数k=c*dpdt,]]>其中是实际压力的变化率，c为常数，该常数是在多次实验后总结得出的。
如果注浆管路堵塞，减压系统可控制注浆管路的压力不大于设定值(一般2.5MPa)。确保注浆管路的安全。在井深1000米时，通过减压，使工作面注浆压力降低到设定压力(一般设定压力为2MPa，且注浆压力可调节(调节范围0.5-----9MPa)，压力稳定度在0.25Mpa。